دفاعیه دکتری در دانشکده مهندسی شیمی ، نفت و گاز

مهندس محمد جواد پرنیان ، دانشجوی دوره دکتری مهندسی‌شیمی ، یکشنبه بیست و پنجم تیر ماه 1396، از رساله خود با عنوان «تهیه وارزیابی غشای پلیمری نانوکامپوزیتی با اصلاح­کننده­های کاتالیستی برای پیل سوختی تبادل پروتون با هدف کاهش عوامل تخریبی» با راهنمایی دکتر سوسن روشن ضمیر دفاع  نمودند.

چکیده

در این فعالیت پژوهشی، هدف بهبود دوام و پایداری شیمیایی غشاهای پلی اتر اتر کتون سولفونه (SPEEK) با استفاده از نانوذراتی با خاصیت کاتالیستی برای تجزیه عوامل مخرب شیمیایی می­باشد. ابتدا، با هدف یافتن محدوده بهینه درجه سولفوناسیون که غشاها دارای خواص شیمیایی، مکانیکی و الکتروشیمیایی مناسب باشند، نمونه­هایی با درجات سولفوناسیون از 40% تا 89% تهیه شدند و مورد ارزیابی قرار گرفتند. غشاهای با درجه سولفوناسیون بالاتر از 69% پایداری ابعادی و شیمیایی بسیار پایینی داشتند در حالی­که غشاهای با درجه سولفوناسیون کمتر از 60% پایداری بسیار مناسبی از خود نشان دادند اما از نظر خواص هدایت پروتونی ضعیف بودند. با توجه به نتایج کلی، غشای SPEEK با درجه سولفوناسیون 65% به عنوان غشای مرجع انتخاب شد و غشاهای نانوکامپوزیتی با این درجه سولفوناسیون بهینه تهیه شدند. نانوذرات پلاتین بر پایه سزیوم هتروپلی اسید، زیرکونیا، سریا و مخلوط اکسیدی سریا-زیرکونیا سنتز و توسط تصاویر میکروسکوپ الکترونی و آنالیز پراش اشعه ایکس مشخصه­یابی شدند و مورد استفاده قرار گرفته­اند. سپس، با استفاده از روش قالب­ریزی محلول، غشاهای نانوکامپوزیتی SPEEK با میزان بارگذاری­های مختلف از انواع نانوذرات، تهیه و مورد ارزیابی قرار گرفتند. انواع غشاهای تهیه شده با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی، ظرفیت تبادل یون، میزان جذب آب، اندازه­گیری هدایت پروتونی در دماهای مختلف، آزمون استحکام کششی، آزمون وزن­سنجی حرارتی، آزمون پایداری در محیط آبی و آزمون دوام شیمیایی برون محلی در محلول شیمیایی فنتون مورد ارزیابی قرار گرفتند. پس از آن، مجموعه­های الکترود-غشاهای مختلف برای انواع غشاها تهیه شد و آزمون عملکردی در سامانه پیل سوختی تبادل پروتون برای آن­ها انجام شد. در نهایت، به منظور بررسی دوام شیمیایی انواع غشاهای تهیه شده، مطابق با معاهده­های بین­المللی آزمون درون محلی تخریب تسریع یافته ولتاژ مدار باز در شرایط بسیار مخرب در سامانه پیل سوختی و برای مدت 230 ساعت برای انواع غشاها انجام شد. نتایج آزمون تخریب تسریع یافته در سامانه پیل سوختی بر روی غشاهای نانوکامپوزیتی با نانوذرات پلاتین بر پایه سزیوم هتروپلی اسید بیانگر دوام شیمیایی بسیار خوبی برای غشای با 15% از نانوذرات (8% افت ولتاژ) نسبت به غشای SPEEK خالص (24% افت ولتاژ) بود. دلیل بهبود دوام این غشاها کاهش میان عبور شدن گازهای واکنشگر اکسیژن و هیدروژن از میان غشا و همچنین خاصیت تجزیه هیدروژن پروکساید و رادیکال­های آزاد مخرب توسط این نانوذرات بود. ارزیابی غشاهای نانوکامپوزیتی با درصد بارگذاری­های مختلف 5/2%، 5%، 5/7% و 10% از نانوذرات زیرکونیا و سریا بیانگر کاهش ظرفیت تبادل یون، افزایش میزان جذب آب، کاهش هدایت پروتونی در دماهای کمتر ازoC 100 و بهبود هدایت در دماهایی بالاتر، بهبود استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی، افزایش پایداری در محیط آبی و بهبود پایداری شیمیایی در محیط آزمون فنتون برای غشاهای نانوکامپوزیتی با افزایش درصد نانوذرات هم برای زیرکونیا و هم سریا نسبت به غشای خالص بود. نتایج عملکرد غشاهای نانوکامپوزیتی زیرکونیا و همچنین سریا در سامانه پیل سوختی تا میزان بارگذاری 5% نسبت به عملکرد غشای خالص تغییر محسوسی نداشت و عملکرد مطلوبی از خود نشان دادند. نتایج آزمون تخریب 230 ساعته در سامانه پیل سوختی نشان داد که نرخ افت ولتاژ برای غشای SPEEK خالص، mV h-1 52/0بود و برای غشاهای نانوکامپوزیتی با افزایش درصد نانوذرات زیرکونیا و همچنین سریا درون غشا بهبود دوام مشاهده شد که افت ولتاژ برای غشای با 10% زیرکونیا mV h-1 14/0 و برای غشای با 10% سریا حدود mV h-1 09/0 بود و نتایج بیانگر تاثیر بالای زیرکونیا و سریا در بهبود دوام غشا بود. نتایج آزمون­های برون محلی برای غشاهای نانوکامپوزیت با نانوذرات مخلوط اکسیدی سریا-زیرکونیا نیز بیانگر بهبود انواع پایداری­های غشاها بود و دارای روندی مشابه با غشاهای نانوکامپوزیتی با نانوذرات سریای خالص و زیرکونیای خالص بود. آزمون عملکرد پیل سوختی بیانگر نزدیک بودن تقریبی عملکرد این نوع غشاها به غشای SPEEK خالص بود. آزمون تخریب تسریع یافته 230 ساعته بیانگر دوام بسیار عالی با کمترین نرخ افت ولتاژ (mV h-1 04/0) نسبت به تمامی غشاهای نانوکامپوزیتی تهیه شده با درصدهای مختلف بارگذاری از نانوذرات سریای خالص و زیرکونیای خالص بود که بیانگر خاصیت بسیار قوی این نانوذرات برای بهبود دوام غشاها بود. با توجه به اهداف تببین شده توسط سازمان­های بین­المللی برای دوام شیمیایی انواع غشاهای تبادل پروتون، انواع غشاهای نانوکامپوزیتی تهیه شده در این پژوهش، دوامی بسیار بالاتر از حد مجاز و قابل قبول در معاهده­ها از خود نشان دادند.